Раздел II Основы теории теплообмена

Одним из самых распространенных явлений природы является с а м о-п р о и з в о л ь н ы й п р о ц е с с п е р е н о с а теплоты в пространстве. Под “процессом переноса теплоты” здесь и в дальнейшем понимается процесс обмена энергией в форме тепла между элементами системы или системами.

Этот процесс полностью подчиняется второму закону термодинамики, согласно которому перенос тепла идет в направлении от тел с более высокой температурой к телам с более низкой температурой. Поэтому все действительные процессы передачи тепла являются необратимыми и протекают с увеличением энтропии. Теплообмен представляет собой весьма сложный в физическом отношении комплекс процессов, при описании которых используются знания физики, математики, термодинамики, гидромеханики и других наук.

Учение о процессах переноса тепла в пространстве называют теорией теплообмена.

.Теория теплообмена возникла и стала развиваться на основе назревших практических задач в начале ΧΙΧ в. и в основном сформировалась к концу ΧΧ века. В настоящее время трудно назвать отрасль техники, где бы в той или иной форме не использовались знания теории теплообмена.

. Основы учения о теплоте были заложены великим русским ученым М.В. Ломоносовым, который в 1774 г. в работе “Размышление о причине теплоты и холода” изложил физическую сущность теплоты и истолковал процесс распространения тепла как передачу движения от одних частиц тела к другим.

Особый вклад в развитие теории теплообмена внесли отечественные и зарубежные ученые: М.В. Кирпичев, Г.М. Кондратьев, М.А. Михеев, А.В. Лыков, А.Г. Блох, Г. Шлихтинг, Э.Р. Эккерт, В. Нуссельт, А.А. Гухман, С.Н. Шорин, С.С. Кутателадзе, Б.С. Петухов, В.М.Иевлев и многих других

Развитие в нашей стране новых отраслей теплоэнергетики, совер-шенствование систем теплоснабжения и кондиционирования, повышение надежности работы теплонапряженных силовых установок поставили перед теорией теплообмена ряд проблем, над решением которых успешно работают российские ученые.

Глава 6. Теплопроводность

6.1. Терминология теплообмена

Согласно второму закону термодинамики перенос тепла идет необратимо в направлении от тел с более высокой температурой к телам с более низкой температурой:

Теплообмен–это самопроизвольный необратимый процесс переноса теплоты в пространстве с неоднородным полем температуры.

Исходным в теории теплообмена является понятие температурного поля.

Температурным полем называют совокупность значений температуры во всех точках рассматриваемого пространства в некоторый фиксированный момент времени.

Из определения температурного поля следует, что в общем случае оно имеет пространственн – временной характер, значения температур в котором задаются функцией:

, (6.1)

где x,y,z – пространственные координаты в декартовой системе;

–время.

Если в заданный момент времени в точках рассматриваемого пространства температура имеет неодинаковые значения, то такое поле температур называют неоднородным.

По числу координат, от которых зависит температура, различают трех-, двух- и одномерное температурные поля.

Если температурное поле имеет неизменные значения температур во времени, то оно называется стационарным.

В рассматриваемый момент времени в пространстве теплообмена имеются точки с одинаковой температурой. Геометрическое место этих точек образует поверхность, которую называют изотермической поверхностью. Пересечение изотермических поверхностей плоскостью дает на этой плоскости семейство изотермических линий – и з о т е р м. Так как в одной и той же точке не может быть двух различных температур, то изотермические поверхности и изотермы не пересекаются. На рис. 6.1 показаны изотермы, проведенные через точки, температуры которых отличаются на  Т. Вдоль изотермы температура остается постоянной, в любом другом направлении она изменяется. Наибольшее изменение температуры происходит в направлении нормали к изотермической поверхности. Интенсивность изменения температуры оценивается температурным г р а д и е н т о м, который обозначается grad T и имеет единицу измерения К/м.

Рис. 6.1

Градиент температуры есть вектор, направленный по нормали к изотермической поверхности в сторону увеличения температуры и численно равный частотной производной от температуры по этому направлению:.

, (6.2)

где – единичный вектор, нормальный к изотермической поверхности и направленный в сторону возрастания температуры;

–частная производная температуры по нормали.

В пространстве с неоднородным температурным полем теплота распространяется от изотермических поверхностей с большей температурой к поверхностям с меньшей температурой.

Количество теплоты, проходящее в единицу времени через изотермическую поверхность, называют тепловым потоком.

Тепловой поток обозначают , за единицу принят Дж/с или ватт.

Тепловой поток, отнесенный к единице площади поверхности, именуют плотностью теплового потока.

Обозначают плотность теплового потока , с единицей Вт/м².

(6.3)

Исходя из физической сущности процесса теплообмена, различают три элементарных способа переноса теплоты: теплопроводность, конвекцию и тепловое излучение.

Теплообмен посредством теплового движения микроструктурных частиц вещества (молекул, атомов, электронов, ионов) в сплошной среде называют теплопроводностью.

Под конвекцией (от лат. conviction – перемещение, доставка) понимают теплообмен, осуществляемый макроскопическими элементами среды при их перемещении.

В отличие от теплопроводности и конвекции перенос энергии тепловым излучением имеет совершенно иную природу. Носителями лучистой энергии являются фотоны, обладающие одновременно волновыми и корпускулярными свойствами.

Перенос тепла лучистой энергией называют тепловым излучением.